Anlagensicherheit und Prozesssimulation
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To date, the liquid phase oxidation of isobutane has not been comprehensively described in the literature, since
the established kinetic models include either the effect of the initiator or the autocatalytic nature of the oxidation
of isobutane, but not both. To overcome this deficiency, an extended kinetic model was developed and validated
using experimental data from the literature. It enabled for the first time the distinction of three different processes:
the oxidation of isobutane, the heterogeneous, unimolecular decomposition of tert-butyl hydroperoxide
on the reactor wall and the homogeneous decomposition reactions of TBHP in solution. The rate constant of the
heterogeneous unimolecular decomposition of TBHP on the wall surface of an untreated stainless-steel reactor,
was found to be two to five times higher than that which was observed in a passivated steel reactor. However,
similar values for the respective parameters describing the first-order decomposition of TBHP and the oxidation
of isobutane were obtained in both reactors. In the non-passivated stainless-steel reactor, the second order
decomposition of TBHP was absent. The results were compared with published data.
Stationäre elektrische Energiespeicher dienen dazu, Strom aus erneuerbaren, oftmals volatilen, Energiequellen (z.B. Solar- oder Windenergie) bis zur Nutzung zwischenzuspeichern. Der Anteil von erneuerbaren Energien an der Stromproduktion steigt in Deutschland seit vielen Jahren und erreichte mit 54,4 % im Jahr 2024 einen neuen Höchstwert. Folglich wird mittelfristig auch eine höhere Speicherkapazität für Netzpuffer auf Batteriebasis notwendig sein. Batteriespeicher können unter bestimmten Bedingungen thermisch Durchgehen. Dies ist mit der Freisetzung von großen Mengen an Wärme sowie toxischen und/oder brennbaren Gasen assoziiert. Durch die zukünftige Steigerung von verbauten Batteriekapazitäten ist auch zu erwarten, dass es mehr Zwischenfälle mit großskaligen elektrischen Energiespeichern geben wird. In der Vergangenheit wurden an der BAM eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batterien im Bereich bis E = 6,85 kWh zu quantifizieren. Anhand der Ergebnisse können geeignete Schutzmaßnahmen in den Bereichen Prozess- und Anlagensicherheit aber auch vorbeugend baulicher und abwehrender Brandschutz definiert werden. Aktuelle Versuche der BAM und der OVGU haben das Ziel, die Propagation des thermischen Durchgehens zwischen den Modulen zu verhindern oder aber mindestens zu verzögern. Dadurch soll das Schadensausmaß bei einem Zwischenfall in einem Stationärspeicher möglichst begrenzt werden und die Interventionszeit für Gegenmaßnahmen vergrößert werden. Hierzu wurden an der BAM fünf Großversuche zur Propagation des thermischen Durchgehens mit je drei Modulen durchgeführt (∑ 17,6 kWh bzw. 100 kg Modulmasse). Die Anordnung der Module war in einem jeden Versuch identisch: zwei Module übereinander (wobei das thermische Durchgehen mittels Heizplatten im unteren Modul initiiert wurde) und das dritte Modul horizontal neben dem unteren Modul. Auf diese Weise konnte zwischen den Modulen sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Propagation des thermischen Durchgehens erreicht werden. Der erste Versuch wurde ohne feuerhemmendes Material zwischen den Modulen durchgeführt. In den weiteren Versuchen wurde verschiedene Isolationsmaterialien verwendet, z.B. Hohlglasgranulat in Flüssigglas, teilweise mit Zusätzen aus pyrogener Kieselsäure oder Epoxidharz, sowie PCM (phase-change material). Die Auswahl der Materialien für die Großversuche erfolgte dabei anhand umfangreicher Laborversuchsreihen auf Zellbasis an der OVGU. In allen fünf Großversuchen kam es sowohl zu einer horizontalen als auch vertikalen Propagation des thermischen Durchgehens. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Isolationsmaterials konnte jedoch mitunter eine deutliche Verlangsamung der Propagation erzielt werden.
Der Beitrag stellt einleitend die Auswirkungen beim thermischen Durchgehen sowie einige Versuche zu den Auswirkungsbetrachtungen vor. Schwerpunktmäßig werden die Ergebnisse aus den Versuchen mit den propagationshemmenden Isolationsmaterialien vorgestellt.
Wasserstoff gewinnt als Energieträger in der Prozess- und Anlagensicherheit zunehmend an Bedeutung. Die sicherheitstechnische Beurteilung zur Festlegung von Gefahrenbereichen im Rahmen der Störfallverordnung oder des Arbeitsschutzes rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter hohem Druck transportiert und gelagert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage, einem Sicherheitsventil oder einer Ausblasleitung mit anschließender Entzündung. Die daraus resultierende impulsbehaftete Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung sowie der Flammengeometrie charakterisiert werden, um verlässliche Schutzmaßnahmen festlegen zu können. Ein Großteil der in der Literatur vorhandenen stationären Modellansätze für H2 Freistrahlflammen wurde bisher auf Basis experimenteller Daten validiert, die entweder im Labormaßstab, unter instationären Freisetzungsbedingungen oder windstillen Randbedingungen durchgeführt wurden. Um dies ganzheitlich zu betrachten, werden Realmaßstabsexperimente auf dem BAM-Testgelände für Technische Sicherheit (BAM-TTS) durchgeführt. Hierbei liegt der Fokus der vorgestellten Experimente auf stationäre Ausströmbedingungen (konstanten Massenstrom) über die Freisetzungsdauer unter realitätsnahen Freisetzungsbedingungen (Realmaßstab Versuche) und atmosphärischen Umgebungsbedingungen (Versuche im Freifeld mit Windeinfluss).
Dabei wird die Flammengeometrie mittels Infrarotkameras und die Wärmestrahlung in die Umgebung an definierten Positionen unter variierenden Freisetzungsparametern (Freisetzungsdurchmesser bis 30 mm, Druck bis 250 bar, Massenstrom bis 0,175 kg/s) systematisch erfasst. Ein zentrales Ziel der Versuche ist die Erzeugung einer (quasi-)stationären Jetflamme durch einen konstanten Massenstrom, um die Vergleichbarkeit mit stationären Freistrahlflammenmodellen zu ermöglichen. Zur besseren Vergleichbarkeit mit existierenden Literaturdaten erfolgen Referenzversuche mit Kohlenwasserstoffen (z.B. Methan). Die systematisch gewonnenen Daten dienen zur Validierung bestehender Modelle und unterstützen die Entwicklung angepasster Freistrahlflammenmodelle für Wasserstoff in Abhängigkeit von atmosphärischen (Windeinfluss) sowie fluidmechanischen (Ausströmgeschwindigkeit) Randbedingungen. Die Ergebnisse tragen somit wesentlich zur sicheren Auslegung von Wasserstoff führenden Anlagen bei.
Der Vortrag zeigt Beispiele auf, wie einerseits durch Untersuchungen von Unfällen sowie andererseits durch die zahlreichen Prüfungen an der BAM Erkenntnisse gewonnen wurden. Diese sind in die Überarbeitung von Normen und Standards sowie in die Modifikation von Prüfverfahren und von Bewertungskriterien eingeflossen.
So wird zum Beispiel bei der Untersuchung nichtmetallischer Materialien versucht, den tatsächlichen, praktischen Anwendungsfall zu berücksichtigen und diesen durch die Prüfungen möglichst abzubilden. Änderungen beim Herstellungsprozess, bei der Materialzusammensetzung und bei Weiterverarbeitungsprozessen nichtmetallischer Materialien haben in der Vergangenheit immer wieder zu deutlich unterschiedlichen Prüfergebnissen geführt. Dem wurde nunmehr durch die Einführung chargenbezogener Prüfungen Rechnung getragen.
Für Ventile mit integriertem Druckregler (Valves with Integrated Pressure Regulator - VIPR) wurden neue und überarbeitete Prüfanforderungen für die Lebensdauer und für die Ausbrennsicherheit festgeschrieben, um den gestiegenen sicherheitstechnischen Anforderungen für Anwendungen mit medizinischem Sauerstoff Rechnung zu tragen.
Ziel ist es, auch zukünftig die Sicherheit von Sauerstoffanlagen durch die Betrachtung von Unfällen und die Erfahrungen aus Prüfungen zu verbessern.
The experimental campaigns within HICON aim to obtain quantitative and qualitative data through experiments for statistics and understanding of ignition probabilities. Based on that hydrogen ignition models are developed transfering the risk-based models from the natural gas applications. Within the presented experimental campaign the focus was on impacts with gravel and with contaminated surfaces. It was found that the ignition probabilty of hydrogen atmospheres by mechanical impacts can be highly increased when gravel is involved and when surfaces are contaminated with oil or with fine sand (sandblasted surfaces), while natural gas atmospheres cannot be ignited under similar conditions.
Die Bildung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen, beispielsweise aufgrund von Cross-Over, Fehlfunktionen oder An- und Abschaltvorgängen, stellt eine für Elektrolyseprozesse ganz spezifische Gefahr dar, die angemessen berücksichtigt werden muss. In dieser Arbeit wurden die Explosionsgrenzen von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen bei Prozessbedingungen von bis zu 30 bar und 300 °C experimentell bestimmt. Es zeigte sich, dass die vorhandenen experimentellen Daten mithilfe empirischer Ansätze mit guter Genauigkeit interpoliert werden können. Darüber hinaus wurden auch die Explosionsgrenzen unter atmosphärischen Bedingungen mit reduzierter Zündenergie bis hinunter zu 1 mJ bestimmt. Obwohl in der Literatur zu finden ist, dass die Zündenergie von brennbaren Gasen stark ansteigt, wenn die Konzentration von stöchiometrisch in den Bereich nahe den Explosionsgrenzen wechselt, wurde innerhalb des getesteten Zündenergiebereichs für H₂/O₂-Gemische kein signifikanter Einfluss der Gemischkonzentration festgestellt. Schließlich wurde die Zündung an heißen Oberflächen für Gemische mit 6 Mol-% Wasserstoff in Sauerstoff, also leicht oberhalb der Explosionsgrenze, experimentell bei verschiedenen Drücken bis zu 30 bara untersucht. Auch hier wurden nur geringe Abweichungen von den für stöchiometrische Gemische ermittelten Zündtemperaturen festgestellt. Zur Berechnung der Zündtemperaturen wurde ein 0D-Reaktormodell mit adiabatischem, konstantem Volumen verwendet. Das Modell wurde hinsichtlich seiner Vorhersage der Zündtemperaturen von Wasserstoffgemischen bei verschiedenen Drücken getestet.
Der sichere Umgang mit Legierungen auf TiFe-Basis ist für deren Einsatz als reversible Wasserstoffspeichermaterialien von entscheidender Bedeutung. Während der Herstellung, des Betriebs und des Recyclings werden diese Legierungen häufig in Form feiner Pulver verarbeitet, die zündfähige Staubwolken und hybride Gemische mit Wasserstoff bilden können. In diesem Vortrag werden die Explosionscharakteristika einer pulverförmigen TiFe–Mn-Legierung unter zwei verschiedenen Atmosphären systematisch untersucht: Luft und Luft mit 2 % Wasserstoff, was 50 % der unteren Explosionsgrenze entspricht. Schlüsselparameter, darunter der maximale Explosionsdruck (pmax), die maximale Druckanstiegsrate ((dp/dt)max) und der Kst-Wert, wurden mittels standardisierter Versuche in einem 20-Liter-Kugel-Apparat bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoff in Konzentrationen unterhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) in Kombination mit Staub die Druckanstiegsrate und den Kst-Wert tendenziell erhöht, während der maximale Explosionsdruck aufgrund der verringerten Sauerstoffverfügbarkeit leicht absinkt. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass bereits geringe Wasserstoffzugaben die Flammenausbreitung beschleunigen und die Explosionsschwere erhöhen können, was für die Risikobewertung und die Auslegung von Explosionsschutzmaßnahmen in Wasserstoffspeichersystemen von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus liefert die durchgeführte umfassende chemische Charakterisierung eine solide Grundlage für zukünftige Untersuchung der sicherheitstechnischen Eigenschaften und unterstützt damit die Entwicklung sicherer und nachhaltiger Wasserstoffspeicher-Technologien.
Der Wasserstofftransport durch Pipelines in Deutschland und Europa ist von zentraler Bedeutung für die zukünftige Energieversorgungssicherheit. Neben dem Neubau einer Wasserstoff-Transportinfrastruktur wird vor allem die kosteneffiziente Umwidmung bestehender Erdgasnetze für den Wasserstofftransport vorangetrieben. Dabei ergeben sich zahlreiche sicherheitstechnische Fragestellungen, insbesondere zur Materialeignung und -kompatibilität, der Zustandsanalyse und -überwachung von Pipelines sowie der Gewährleistung der Gasqualitäten. Die Validierung der wissenschaftlich-technischen Tragfähigkeit der Antworten zu diesen Fragen unter realen Bedingungen ist erforderlich für die erfolgreiche Transformation des Energietransports. Hierzu stellt die BAM eine neue, einzigartige Prüfinfrastruktur vor, die ab Juli 2026 zur Verfügung stehen wird.
Die Gewährleistung einer sicheren, zuverlässigen und klimaneutralen Energieversorgung stellt eine der zentralen Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte dar. Als zentraler Baustein für die Energiewende wird Grüner Wasserstoff gesehen. Allerdings müssen bis zum Hochlauf einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur effektive Speicher- und Transportlösungen bereitgestellt werden. Verschiedene Wasserstoff-derivate, insbesondere Ammoniak, Methanol, synthetisches Methan und flüssige organische Wasserstoffträger (LOHCs), können dabei eine tragende Rolle spielen.
Aufgrund seiner etablierten globalen Infrastruktur und der vorhandenen industriellen Produktions- und Handelsketten (weltweit über 170 Mio. Tonnen jährlich) stellt Ammoniak, besonders kurzfristig, eine vielversprechende Option für die energetische Nutzung dar. Zusätzlich zeichnet sich Ammoniak durch seine hohe Energiedichte und, im Vergleich zu Wasserstoff, einfache Lager- und Transportfähigkeit aus. Auch langfristig bietet Grüner Ammoniak, insbesondere der in sonnen- und windreichen Regionen aus erneuerbaren Energiequellen erzeugte, das Potenzial für eine wirtschaftliche Produktion und eine vielversprechende Option für künftige Energieimporte.
Aufgrund der toxischen Eigenschaften und potenziellen Umweltrisiken sind allerdings umfassende sicherheitstechnische Maßnahmen sowie eindeutige regulatorische Rahmenbedingungen erforderlich. Darüber hinaus gilt es, technologische Herausforderungen zu lösen, die sich in Abhängigkeit von der Nutzung von Ammoniak ergeben. Hierzu zählen unter anderem die Emissionskontrolle bei der direkten Verbrennung von Ammoniak sowie die Verbesserung der Effizienz bei der Rückumwandlung von Ammoniak in Wasserstoff (Ammoniak-Cracking).
Vor diesem Hintergrund hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen zweier Workshops in Kooperation mit relevanten Stakeholdern aus Behörden, Wirtschaft und aus der Wissenschaft zentrale Handlungsempfehlungen für die Politik abgeleitet, mit dem Ziel, den Einsatz von Ammoniak als Energieträger in Deutschland voranzubringen. Diese Handlungsempfehlungen werden im Beitrag päsentiert und anschließend zur Diskussion gestellt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Ammoniak ein vielversprechendes Wasserstoffderivat für die Dekarbonisierung darstellt, sofern politischer Wille und eine klare Strategie den zielgerichteten Ausbau der notwendigen Infrastruktur, die Schaffung regulatorischer Rahmenbedingungen sowie die Förderung technologischer Innovationen vorantreiben.